Schlussbericht. zum Vorhaben

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1 Schlussbericht zum Vorhaben Thema: Möglichkeiten einer ausgeglichenen Spurenelementversorgung von Biogasanlagen durch Mischungen unterschiedlicher Energiepflanzen Zuwendungsempfänger: Universität Göttingen, Interdisziplinäres Zentrum für Nachhaltige Entwicklung (IZNE) Förderkennzeichen: Laufzeit: bis Datum der Veröffentlichung: Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR) als Projektträger des BMEL für das Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe unterstützt. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

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3 Schlussbericht zum Forschungsprojekt: Möglichkeiten einer ausgeglichenen Spurenelementversorgung von Biogasanlagen durch Mischungen unterschiedlicher Energiepflanzen Autoren: Dr. Benedikt Sauer, Wiebke Fahlbusch, Prof. Dr. Hans Ruppert (Projektleiter) Laufzeit: Förderkennzeichen: Gefördert von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. im Auftrag des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

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5 Teil I. Ziele 1. Einleitung und Ziel Bioenergie stellte im Jahr 2012 mit ca. 66 % unter den Erneuerbaren Energien den größten Anteil (8,2 %) am Endenergieverbrauch (Strom, Wärme und Kraftstoffe) in Deutschland bereit (FNR 2013a). Momentan werden in Deutschland knapp Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von gut MW betrieben. Zum Vergleich: Das Kernkraftwerk Brunsbüttel weist eine installierte elektrische Leistung von 806 MW auf (DAtF 2014). Maissilage ist mit 73 % am massebezogenen Substrateinsatz das Hauptfutter für Biogasanlagen (FNR 2013a). Für eine optimale Biogasproduktivität in Biogasanlagen müssen zahlreiche Parameter innerhalb gewisser Grenzen liegen. Neben den Gehalten von Makronährelementen gehören zu diesen Parametern die Spurenelemente, die für die Bakterien und methanbildenden Archaeen essenziell sind. Dabei werden immer wieder die Elemente Eisen, Mangan, Cobalt, Nickel, Zink, Molybdän, Wolfram und Selen genannt (Koch et al. 2010; Lemmer et al. 2010; Demirel & Scherer 2011). Insbesondere Cobalt und Nickel scheinen für die Gasausbeute landwirtschaftlicher Biogasanlagen eine herausragende Rolle zu spielen (Sauer 2010; Pobeheim et al. 2011; Feher et al. 2013). Gerade aber für Mais ist das Aufnahmevermögen von Cobalt sehr gering, was in ausschließlich mit Maissilage beschickten Anlagen zu einer niedrigen Methanproduktion führt. Derzeit werden nach Expertenschätzungen in Deutschland in mehr als Biogasanlagen industrielle Spurenelementadditive zugefüttert, um dem Spurenelementmangel zu begegnen. Das birgt verschiedene Umweltrisiken, verursacht zusätzliche Kosten und steht im Konflikt mit der Düngemittelverordnung (DüMV). Andere mögliche Energiepflanzen akkumulieren im Vergleich zu Mais erheblich mehr an essenziellen Spurenelementen. In diesem Vorprojekt soll mittels unterschiedlicher Energiepflanzen von Kleinparzellen am Standort Verliehausen (Landkreis Northeim) geklärt werden, ob theoretisch eine optimale Spurenelementversorgung von Biogasanlagen allein durch eine größere Energiepflanzenvielfalt gewährleistet werden kann Planung und Ablauf des Vorhabens Im Vorlauf dieses Forschungsprojektes wurde bereits Ende Mai 2012 bei Harlingerode (Landkreis Goslar) ein Freilandversuchsfeld für die Sommerung 2012 angelegt (Förderung vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur im Projekt Bioenergetische Nutzungskonzepte für kontaminierte Standorte ). Am Standort Harlingerode war über viele Jahrzehnte bis vor wenigen Jahren eine Blei-Zink-Hütte in Betrieb, die im Umkreis von etwa 3 km über atmogene Schadstoffeinträge den Boden belastete. So ist der Oberboden um Harlingerode zwar sehr stark mit Cadmium, Kupfer, Blei und Zink kontaminiert, nicht jedoch mit Cobalt oder Nickel, die in diesem Projekt näher betrachtet werden sollen. Es stellte sich leider heraus, dass erneute atmogene Metalleinträge aus nächster Umgebung stattfinden, mutmaßlich durch die Neuanlage einer Deponie und die Inbetriebnahme eines 5

6 Recyclingwerks für Batterien. Aus diesem Grund wurde im Juni 2012 mit dem Bioenergiedorf Verliehausen (bei Uslar im Landkreis Northeim, Südniedersachsen) Kontakt aufgenommen. Der Betreiber der Biogasanlage stellte freundlicherweise einen Ackerstreifen in der Nähe der Biogasanlage für Kleinparzellen zur Verfügung, sodass dort am 14. Juni 2012 die erste Sommerung angelegt werden konnte. Der Acker besteht aus sandigem Schluff mit einem ph-wert von 5,8 und ist unbelastet. In der Sommerung 2012 des Freilandversuchsfeldes (Abbildung 1) wurden folgende Energiepflanzen und -sorten angebaut, geerntet und auf ihre Elementgehalte hin untersucht: Amarant: Bärnkrafft Buchweizen: Jana, Kora, Lifago, Lileja, Spacinska, Tussi, Panda, Zita (Abbildung 2a) Hartweizen: Duramar Klee: Inkarnat, Pirat Katzenminze: Six Hills Giant Luzerne Mais: Amadeo, Coleen, Fabregas, Gomes, Hobbit, Padrino, Penelope, Revolver, Ronaldinio, Simao, Sulexa Malve: Mauretanische Malve Öllein: Stremanthe Phacelia: Amerigo Quinoa: 407, Atlas, Carmen, Faro Pasto, Pino, Tango, Titicaca, Zeno (Abbildung 2a) Rumex Schavnat Rüben: Annika, Belladonna, Enermax, Isabella, Kyros, Matt, Pauletta, Sandra Sommer-Ackerbohne: Espresso Sonnenblume: Elektra, Joana, Metharoc, Olmedo, Pandra, Salut (Abbildung 2b) Sommer-Hafer: Aragon, Buggy, Husky, Zorro Sommer-Roggen: Arantes, Ovid Sommer-Triticale: Nilex Sorghum: Freya, Maja Switchgrass: Cave in Rock Szarvasi Welsches Weidelgras: Gisel, Lema Weißer Senf: Maxi Zottelwicke: Welta. 6

7 Abb. 1: Kleinparzellen der Sommerkulturen 2012 Ende September bei der Biogasanlage Verliehausen. (a) Quinoa (Mitte) und Buchweizen (links), August 2012 (b) Sonnenblume, September 2012 Abb. 2: Verschiedene Kulturen der Sommerung 2012 auf dem Versuchsfeld an der Biogasanlage Verliehausen. 7

8 Für die Winterung 2012/13 (Abbildung 3) wurden im Oktober folgende Energiepflanzen und -sorten bei Verliehausen ausgesät: Weizen: Batis, Kredo, Isengrain, Julius, Tobak, Mulan Roggen: Helltop, Allawi, Protector, Askari, Minello, Generator, Speedogreen, Performer, Mephisto, Brasetto, Phönix, Progas, Vitallo Gerste: Annisette, Souleyka, Christelle, Meridian, Matros, Tenor, Malwinta Triticale: Tulus, Cosinus, Massimo, Securo Zottelwicke: Welta, Ostsaat Dr. Baumann Winter-Ackerbohne: Hiverna (Abbildung 4a) Winter-Rübsen: Perko, Jupiter Winter-Erbse: E.F.B. 33 Wick-Gras -Mischung (DSV-Saaten) mit 60 % Welsches Weidelgras Licarno, 40 % Zottelwicke Welta We-Ro-GPS Plus -Mischung (DSV-Saaten) mit 65 % Winter-Roggen Conduct, 26 % Winter- Erbse E.F.B. 33, 9 % Welsches Weidelgras Ligrande (Abbildung 4b). Abb. 3: Kleinparzellen der Winterkulturen 2012/13 Anfang Juni 2013 bei der Biogasanlage Verliehausen. 8

9 (a) Winter-Ackerbohne Hiverna (b) We-Ro-GPS Plus, Winter-Roggen + Winter-Erbse + Welsches Weidelgras Abb. 4: Zwei Winterkulturen im Juni 2013 auf dem Versuchsfeld an der Biogasanlage Verliehausen Ernte, Aufbereitung und Messung der Proben Die Pflanzen wurden analog zur Praxis zum Zeitpunkt der maximalen Biomasseausbildung geerntet. Bei Getreidepflanzen entspricht dieser Zeitpunkt in etwa der Milchreife nach dem BBCH-Code. Mit Ausnahme der Rüben wurden die Ganzpflanzenproben etwa 10 cm über dem Boden abgeschnitten. Die Rüben wurden komplett geerntet und anschließend getrennt in Rübenkörper und Rübenkopf mit Blättern. Größere Pflanzen wie Mais, Sonnenblume und Amarant wurden mit einem handelsüblichen, sauberen Häcksler (Viking GE 150) zerkleinert. Danach erfolgte im Trockenschrank die Trocknung bei 105 C bis zur Gewichtskonstanz. Aus der Differenz des Feuchtgewichtes zur Ernte und dem Trockengewicht nach der Trocknung wurde der Trockensubstanzgehalt bestimmt. Die getrockneten Proben wurden anschließend mit der Achatkugelmühle (Fritsch Pulverisette Typ ) analysenfein gemahlen. Durch die Verwendung von Achatgefäßen (SiO 2 ) lässt sich eine Kontamination mit Spurenelementen vermeiden. Die homogenen Probenpulver wurden schließlich mit einem Säuretotalaufschlussverfahren unter Einsatz eines hochreinen Gemisches aus 65 %iger Salpetersäure (HNO 3 ), 40 %iger Flusssäure (HF) und 70 %iger Perchlorsäure (HClO 4 ) in einer geschlossenen Apparatur (PicoTrace Druckaufschluss-System) vollständig in Lösung gebracht. Bei den Bodenproben wurde zusätzlich Salzsäure (HCl) zugegeben. Hiernach wurden die Elementgesamtgehalte von ca. 50 Hauptund Spurenelementen der Lösungen mittels der Multielementanalysemethoden ICP-OES (Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry) und ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry) bestimmt. Zur Überprüfung der Richtigkeit des Säuretotalaufschlussverfahrens und der Analysenwerte der Multielementmessungen wurden Blindproben sowie international zertifizierte und hausinterne Referenzproben mit aufgeschlossen und gemessen. 9

10 2. Wissenschaftlicher Stand Der wissenschaftliche Stand zu Spurenelementen in Biogasanlagen ist bislang noch sehr überschaubar. Im FNR-Leitfaden Biogas (FNR 2013b) findet sich eine Tabelle mit Richtwerten zu Spurenelementen in Biogasanlagen. Die empfohlenen Konzentrationen schwanken zum Teil enorm, z.b. bei Mangan von 0, mg/l oder bei Molybdän von 0,05-16 mg/kg TS. Spurenelementgehalte von unterschiedlichen Energiepflanzen sind bislang lediglich sporadisch publiziert. Eindeutig ist bislang, dass Mais unabhängig vom Standort als sehr spurenelementarme Pflanze rangiert (z.b. Wachsmann 2011; Sauer & Ruppert 2013; Vintiloiu & Lemmer 2013). In den Gülzower Fachgesprächen 35 (FNR 2011) findet sich eine Tabelle mit einer groben Einteilung verschiedener Substrate (Grassilage, Maissilage, Rübenmus und GPS) bezüglich ihrer Spurenelementgehalte. Die Substrate sind jedoch nicht mit Konzentrationen sondern nur mit einer relativen Skala (++, +, -, - -) hinsichtlich ihres Elementgehaltes bewertet. Auch ist die Probenanzahl sehr gering. Die Elemente Cobalt und Nickel gehören zu den wichtigsten, oft im Mangelbereich vorliegenden Spurenelementen in Biogasanlagen und sind essenziell für eine optimale Biogasproduktivität (Schönheit et al. 1979; Fathepure 1987; Jarvis et al. 1997; Gonzalez-Gil et al. 1999; Kida et al. 2001; Sauer 2010; Pobeheim et al. 2011; Demirel & Scherer 2011; Feher et al. 2013). Die Spurenelementgehalte in Gülle liegen deutlich höher als in der Maispflanze (Sauer 2010). Allerdings ist nicht für jede Biogasanlage ausreichend Gülle vor Ort vorhanden. Nach Berechnungen von Sauer (2011) sind bei einer nur mit Maissilage beschickten Anlage mehr als 23 % Rindergülle (Feuchtmasse-Input) nötig, um eine ausreichende Spurenelementversorgung zu erreichen. Bei einem vermuteten oder realen Spurenelementmangel im Fermenter wurden in den letzten Jahren Spurenelementadditive verschiedener Hersteller als Zuschlagstoffe in die Biogasanlagen gegeben. Das kann die Biogasausbeute oft stabilisieren und optimieren, wie Sauer (2010) an der Biogasanlage in Obernjesa in Südniedersachsen analytisch nachweisen konnte. Die pauschale Zugabe von Spurenelementadditiven in Biogasanlagen birgt aber folgende Risiken: Unterdosierung: kein positiver Effekt trotz Kosten und Aufwand Überdosierung: Gefahr hemmender bzw. toxischer Wirkung auf die Mikroorganismen Kontamination des Bodens durch Aufbringung belasteter Gärreste Gesundheitsgefahr durch Einatmen oder Verschlucken beim Hantieren des Anwenders mit den schwermetallangereicherten Pulvern oder Lösungen Geltende Höchstgehalte der Düngemittelverordnung können durch Spurenelementadditive schnell überschritten werden (der Gärrest wäre dann Abfall). Nach Auskunft der Landwirtschaftskammer Niedersachsen (mündliche Mitteilung Dr. Karl Severin) müssen die Spurenelementadditive zur Unterstützung der Vergärung alle Höchstgehalte der Düngemittelverordnung (DüMV) einhalten. In der aktuellen Düngemittelverordnung ist nur Nickelsulfathexahydrat als Unterstützungsprodukt bei der Vergärung zugelassen. Sämtliche Additive, die Nickel in einer anderen Verbindung bereitstellen, verhindern aktuell genau genommen ein Inverkehrbringen der Gärreste als Dünger. Auch sind bei den extrem hochkonzentrierten Spurenelementadditiven Über- 10

11 schreitungen der Schadelemente Arsen, Blei, Cadmium, Chrom oder Thallium nicht unwahrscheinlich. In geringen Mengen positiv wirkende Elemente können bei sehr hohen Konzentrationen für einige Mikroorganismen hemmend oder gar toxisch auf die Bildung von Methan im Fermenter wirken. Als Beispiel sei die Hemmung durch Kupfer und Zink aus Klauenbädern genannt (mündliche Mitteilung Dr. Jürgen Pröter). Da bisher systematische wissenschaftliche Untersuchungen dazu fehlen, sind für landwirtschaftliche Biogasanlagen nahezu keine Maximalkonzentrationen bekannt, ab denen mit einer Hemmung der Umsetzungsprozesse zu rechnen ist. Aus diesen Gründen sollte vor dem Zusatz eines Additivs eine begleitende Analyse des Fermentermaterials auf die essenziellen Elemente erfolgen. Dabei sollte unbedingt das Minimierungsgebot (minimaler Einsatz bei größter Gasausbeute) befolgt werden. Eine weitere Option stellt das hier vorgestellte Konzept dar. 11

12 3. Zusammenarbeit mit anderen Stellen Die Biogasanlage in Verliehausen wird hauptsächlich mit Energiepflanzen, aber auch mit einem Teil Rindergülle gefüttert. Trotzdem war dem Anlagenbetreiber im Januar 2012 eine deutliche Verschlechterung der Biogasausbeute aufgefallen. Ab Februar 2012 wurden Spurenelementadditive zugefüttert. Seitdem liegt die Biogasproduktivität wieder stabil auf einem guten Niveau. Es wurden daher auch monatlich Proben aus dem Fermenter und vereinzelt von der Silageplatte genommen, um zusätzliche Erkenntnisse zu gewinnen. Mit den Landwirten der Gemarkung Verliehausen, dem Biogasanlagenbetreiber und einem Berater wurde ein Workshop zum vorgestellten Thema durchgeführt. Eine Zusammenarbeit ergab sich mit dem Technologie- und Förderzentrum (TFZ) in Straubing (Niederbayern). Von dort wurden unterschiedliche Buchweizen- und Quinoasorten beprobt und analysiert (Abbildung 5), die im Rahmen des FNR-geförderten Projektes Eignung von Buchweizen und Quinoa als späte Zweitfrüchte für die Biogasnutzung (Förderkennzeichen (FKZ): ) dort angebaut wurden. Hieraus resultierte für Amarant eine weitere Kooperation von TFZ und IZNE im Projekt Screening und Selektion von Amarantsorten und -linien als spurenelementreiches Biogassubstrat, gefördert mit Mitteln des Bayerischen Staatsministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (FKZ: EW/12/42; Zeitraum: bis ). Der Endbericht hierzu wird voraussichtlich ab Sommer 2014 in der Schriftenreihe des TFZ verfügbar sein. Abb. 5: Verschiedene Amarantgenotypen auf einem Versuchsfeld des TFZ bei Straubing, September

13 Teil II. Ergebnisse 1. Erzielte Ergebnisse 1.1. Elementkonzentrationen im Boden in Verliehausen Der Boden ist mit Ausnahme von Kohlenstoff, Sauerstoff und teilweise Stickstoff der Speicher für die Elemente, die die Pflanzen aufnehmen können. Ohne entsprechende Bodendaten wären Pflanzenelementdaten kaum zu interpretieren. In Tabelle 1 sind die Bodengehalte des Freilandversuchsfeldes Verliehausen im Vergleich mit Durchschnittsgehalten eines Jungwürm-Lösses nach Schnetger (1992) und der Oberen Kontinentalen Kruste nach Rudnick & Gao (2003) aufgeführt. Der Jungwürm-Löss setzt sich aus 15 Proben aus Niedersachsen und Nordhessen zusammen und eignet sich gut für einen Vergleich mit dem Boden in Verliehausen, da Verliehausen im Lössverbreitungsgebiet liegt. Auffällig ist, dass die für den Biogasprozess wichtigen Spurenelemente Cobalt und Nickel im Boden des Versuchsfeldes bei Verliehausen rund 50 % geringer ausfallen als im durchschnittlichen Jungwürm-Löss. Der ph-wert im Boden beträgt 5,8 und die Bodenart ist sandiger Schluff (Us). 13

14 Tab. 1: Elementkonzentrationen in mg/kg im Boden des Versuchsfeldes bei Verliehausen im Vergleich mit Durchschnittskonzentrationen eines Jungwürmlösses (Schnetger 1992) und der Oberen Kontinentalen Kruste (Rudnick & Gao 2003). Methode Element Boden Verliehausen Jungwürmlöss Obere Kontinentale Kruste mg/kg n=8 Proben Schnetger (1992) Rudnick & Gao (2003) ICP-OES Al ICP-OES Ba ICP-MS Be 0,88 2,1 ICP-MS Bi 0,15 0,10 0,16 ICP-OES Ca ICP-MS Cd 0,28 0,10 0,09 ICP-MS Ce ICP-MS Co ICP-OES Cr ICP-MS Cs 2,2 4,0 4,9 ICP-OES Cu ICP-MS Dy 3,4 6,3 3,9 ICP-MS Er 2,0 3,8 2,3 ICP-MS Eu 0,8 1,4 1,0 ICP-OES Fe ICP-MS Gd 4,4 6,2 4,0 ICP-MS Hf ICP-MS Ho 0,7 1,2 0,8 ICP-OES K ICP-MS La ICP-MS Li ICP-MS Lu 0,37 0,55 0,31 ICP-OES Mg ICP-MS Mn ICP-MS Mo 0,5 1,1 ICP-OES Na ICP-MS Nb ICP-MS Nd ICP-MS Ni ICP-OES P ICP-MS Pb ICP-MS Pr 7,0 7,1 ICP-MS Rb ICP-OES S ICP-MS Sb 0,68 0,40 ICP-OES Sc 5,4 9,0 14 ICP-MS Sm 4,8 7,4 4,7 ICP-MS Sn 2,3 2,1 ICP-OES Sr ICP-MS Ta 1,2 1,3 0,9 ICP-MS Tb 0,55 0,70 ICP-MS Th ICP-OES Ti ICP-MS Tl 0,44 0,30 0,90 ICP-MS Tm 0,34 0,30 ICP-MS U 2,7 3,8 2,7 ICP-MS V ICP-MS Y ICP-OES Yb 2,3 3,9 2,0 ICP-OES Zn ICP-MS Zr

15 1.2. Berechnung der physiologischen Elementgehalte Cobalt und Nickel sind zusammen mit vielen anderen Elementen nur Spurenbestandteile von Pflanzen. Im Boden und in aufgewirbelten Staubpartikeln hingegen sind diese Elemente in weitaus höheren Konzentrationen vorhanden als in den Pflanzen und können daher die gemessenen Spurenelementgehalte in den Pflanzen empfindlich verfälschen. In Tabelle 2 sind dazu beispielhaft die Elementgehalte im Boden in Verliehausen und der Maispflanze (Sorte Penelope) gegenübergestellt. Es fällt auf, dass das Verhältnis des Elementes Cobalt im Boden zu der Maisprobe ungefähr 270, im Vergleich dazu aber das Verhältnis Molybdän im Boden gegenüber Mais Penelope nur 0,9 beträgt. Cobalt zeigt im Boden also wesentlich höhere Gehalte gegenüber Mais Penelope. Das heißt, ein geringer Anteil an anhaftenden Bodenpartikeln kann demnach die gemessenen Elementkonzentrationen in einer Pflanzenprobe schnell zu überhöhten Gehalten hin verfälschen. Mit einem mathematischen Korrekturverfahren ist es möglich, die Elementdaten von anhaftendem Material zu bereinigen. Als Bezugselement wird hierbei Titan im Boden und in der Pflanzenprobe benutzt. Dies basiert auf der Annahme, dass der gesamte Titangehalt, der in der Pflanzenprobe gemessen wird, durch anhaftendes Boden- und Staubmaterial verursacht ist. Das Element Titan eignet sich hierfür, da es keinen Mikronährstoff für Pflanzen darstellt und nur in seltenen Fällen aufgenommen wird (Kabata-Pendias 2011; Cook et al. 2009). Tab. 2: Vergleich von Elementgehalten im Boden und in der Maispflanze (Sorte Penelope), gemessen (d.h. unbereinigt) und physiologisch, Verliehausen. mg/kg Al Ti Pb Co Fe Ni Mn Zn Cu Mo Boden Verliehausen ,6 5, ,0 9,47 0,46 Mais Penelope, gemessen 61 7,6 0,07 0, ,19 14,9 15,4 4,13 0,52 Mais Penelope, physiol. <5,2 0 0,03 0, ,17 13,8 15,3 4,11 0,52 Verhältnis Boden/Mais P., gem ,2 2,3 0,9 Die Gleichung (1) stellt diese Berechnung dar. Der Anteil des Titans in der Pflanze wird in Relation zum Titangehalt im Bezugsboden gesetzt. Die Bezugsbodengehalte sind die Medianwerte der Elementkonzentrationen im Boden (n=8). Im Folgenden werden die auf diese Weise erhaltenen korrigierten Konzentrationen als physiologische Gehalte bezeichnet, also der wahre von der Pflanze aufgenommene Elementgehalt (Sauer & Ruppert 2013). El phys = El P flanze Ti P flanze Ti Boden El Boden (1) El = Konzentration eines Elements Ti = Konzentration Titan 15

16 1.3. Ergebnisse und Auswertung der Spurenelementdaten der Energiepflanzen In den letzten Jahren haben sich immer mehr die Elemente Cobalt, Nickel und Molybdän als die kritischen Mangel-Spurenelemente in landwirtschaftlichen Biogasanlagen herausgestellt (z.b. Sauer 2010; Pobeheim et al. 2011; Feher et al. 2013). Daher liegt im Folgenden ein besonderer Fokus auf diesen Elementen. In den folgenden Abbildungen sind die physiologischen Gehalte der untersuchten Pflanzenproben farbig dargestellt, die gemessenen unbereinigten Elementgehalte grau hinterlegt. Bei den Cobaltgehalten wurde eine große Spannbreite festgestellt (Abbildung 6). Die Gehalte bewegen sich von 0,01 (Sorghum) bis 0,27 (Winter-Ackerbohne) mg/kg Trockensubstanz (TS). Bei vielen Proben sind die unbereinigten Cobaltgehalte ca % höher als die physiologischen Gehalte. Dies betrifft vor allem bodennahe Pflanzen wie die Katzenminze, Rüben (Körper) oder Luzerne, die durch die geringe Wuchshöhe besonders gefährdet sind, Bodenpartikel auf den Oberflächen zu tragen. Ein Korrekturverfahren (oder zumindest eine Überprüfung) vieler Elementdaten einer Probe ist also unerlässlich für eine korrekte wissenschaftliche Interpretation. Zum einen sind vermutlich nur die physiologischen Elementanteile für die Mikroorganismen im Fermenter verfügbar. Zum anderen kann eine Elementaufnahme vorgetäuscht werden, die vom jeweiligen Probenehmer aber auch durch Starkregen- oder Staubereignisse beeinflusst sein kann. Wi-Ackerbohne Hiverna So-Ackerbohne Espresso Amarant Bärnkrafft Malve MW Buchweizen MW Zottelwicke MW Weißer Senf Maxi Wel. Weidelgras MW Quinoa MW Klee MW Luzerne Öllein Stremanthe Wi-Rübsen MW Phacelia Amerigo Rumex Schavnat Rüben Blatt MW Sonnenblume MW "Wick-Gras"-Mischung Wi-Erbse E.F.B. 33 Rüben MW Katzenminze MW Switchgras MW "We-Ro-GPS Plus" So-Hafer MW Szarvasi Mais MW Wi-Gerste MW Wi-Weizen MW Wi-Roggen MW Wi-Triticale MW Sorghum MW 0,013 Cobalt(mg/kg TS) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Abb. 6: Cobaltgehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 16

17 Die Verteilung der Nickelgehalte der verschiedenen Energiepflanzen ist in Abbildung 7 dargestellt. Mais verfügt mit 0,22 mg/kg TS Nickel (Mittelwert), ähnlich wie andere Pflanzen der Winterung (Weizen, Triticale, Gerste, Roggen), über einen sehr geringen Gehalt verglichen mit den anderen untersuchten Pflanzen. Fast 9-fach höhere Nickelgehalte weisen Zottelwicke (1,8 mg/kg TS) und Sommer-Ackerbohne (1,7 mg/kg TS) auf. Bohne, Erbse, Zottelwicke und Klee (1,2 mg/kg TS) gehören zur Familie der Hülsenfrüchtler (Leguminosen). Die Mischungen ( We-Ro-GPS Plus sowie Wick-Gras ) liegen durch den beigemengten Leguminosenanteil ebenfalls bei einem höheren Nickelgehalt als der Winterroggen oder das Welsche Weidelgras allein. Zottelwicke MW So-Ackerbohne Espresso Wi-Erbse E.F.B. 33 Wi-Ackerbohne Hiverna Klee MW Sonnenblume MW Katzenminze MW Buchweizen MW Malve MW Rüben Blatt MW Öllein Stremanthe Rumex Schavnat "Wick-Gras"-Mischung Quinoa MW Luzerne Weißer Senf Maxi "We-Ro-GPS Plus" Phacelia Amerigo Amarant Bärnkrafft Switchgras MW So-Hafer MW Wel. Weidelgras MW Szarvasi Rüben MW Mais MW Wi-Weizen MW Wi-Rübsen MW Sorghum MW Wi-Triticale MW Wi-Gerste MW Wi-Roggen MW 0,22 Nickel(mg/kg TS) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Abb. 7: Nickelgehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 17

18 Das Mikronährelement Molybdän wird sehr leicht in die Pflanzen verlagert und die mittleren Gehalte liegen in der gleichen Größenordnung wie im Boden (0,5 mg/kg) in Verliehausen (Abbildung 8). Die gemessenen Werte (graue Balken) stimmen aus diesem Grund mit den physiologischen Gehalten gut überein. Die grauen Balken sind in der Grafik nicht sichtbar, da sie gegenüber den physiologischen Anteilen nur minimal unterschiedlich sind. Mais, als häufiges Biogassubstrat, verfügt über einen mittleren Molybdängehalt (0,69 mg/kg TS). Winter-Weizen erreicht ca. 3-mal höhere Werte. Rüben weisen einen sehr niedrigen Molybdängehalt auf (0,04 mg/kg TS). Ein Molybdänmangel ist demnach in erster Linie in Biogasanlagen vorprogrammiert, die einen hohen Anteil an Rüben vergären. Wi-Weizen MW Wi-Ackerbohne Hiverna Wi-Erbse E.F.B. 33 Zottelwicke MW "We-Ro-GPS Plus" Amarant Bärnkrafft So-Hafer MW Wi-Rübsen MW "Wick-Gras"-Mischung Wel. Weidelgras MW Wi-Roggen MW Buchweizen MW Luzerne Switchgras MW Quinoa MW Katzenminze MW Rüben Blatt MW Mais MW Wi-Triticale MW Weißer Senf Maxi Wi-Gerste MW Phacelia Amerigo Malve MW Öllein Stremanthe So-Ackerbohne Espresso Klee MW Sorghum MW Sonnenblume MW Szarvasi Rumex Schavnat Rüben MW 0,69 Molybdän (mg/kg TS) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Abb. 8: Molybdängehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 18

19 Abbildung 9 zeigt die Eisengehalte der Energiepflanzen. Der Großteil der untersuchten Pflanzen besitzt physiologische Konzentrationen unter 60 mg/kg TS. Höhere Konzentrationen werden wieder von vielen Leguminosen (Ackerohne, Zottelwicke und Klee) und auch von Amarant, Buchweizen, Phacelia und Öllein erreicht. Die Rüben (Körper) weisen die niedrigsten physiologischen Eisengehalte auf. Das Korrekturverfahren greift bei diesem Element besonders stark, wie an den Unterschieden zwischen den grauen und farbigen Balken sichtbar wird. Dies liegt an den hohen Eisengehalten im Boden ( mg/kg), die gegenüber den Pflanzen in weit höheren Bereichen liegen (vgl. Tabelle 2, Verhältnis Boden/Mais Penelope). Amarant Bärnkrafft So-Ackerbohne Espresso Phacelia Amerigo Buchweizen MW Öllein Stremanthe Wi-Ackerbohne Hiverna Klee MW Rumex Schavnat Zottelwicke MW Wi-Erbse E.F.B. 33 Quinoa MW Luzerne Malve MW So-Hafer MW "Wick-Gras"-Mischung Weißer Senf Maxi Wi-Rübsen MW Wel. Weidelgras MW "We-Ro-GPS Plus" Katzenminze MW Switchgras MW Sonnenblume MW Mais MW Wi-Gerste MW Wi-Roggen MW Wi-Triticale MW Wi-Weizen MW Szarvasi Sorghum MW Rüben Blatt MW Rüben MW 33 Eisen (mg/kg TS) Abb. 9: Eisengehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 19

20 Die Mangangehalte (Abbildung 10) weisen eine Spannweite von 13 mg/kg TS bei Mais bis 86 mg/kg TS bei Buchweizen auf. Mangan ist ein essenzielles Spurenelement für Pflanzen und wird in der Biogasforschung häufig in Spurenelementmischungen zugegeben, um eine Verbesserung der Biogasproduktion zu erreichen (Demirel & Scherer 2011; Oechsner et al. 2011). Tatsächlich liegen die Mangankonzentrationen der Maispflanzen am Minimum aller untersuchten Kulturpflanzen in diesem Projekt. Buchweizen MW Quinoa MW So-Ackerbohne Espresso Weißer Senf Maxi Rüben Blatt MW Wel. Weidelgras MW Wi-Ackerbohne Hiverna Switchgras MW Öllein Stremanthe Sonnenblume MW Phacelia Amerigo "Wick-Gras"-Mischung Klee MW Zottelwicke MW Wi-Erbse E.F.B. 33 Katzenminze MW Amarant Bärnkrafft Luzerne Malve MW Wi-Weizen MW Rumex Schavnat "We-Ro-GPS Plus" So-Hafer MW Rüben MW Wi-Triticale MW Szarvasi Sorghum MW Wi-Roggen MW Wi-Rübsen MW Wi-Gerste MW Mais MW 13 Mangan (mg/kg TS) Abb. 10: Mangangehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 20

21 Die Kupfergehalte der Energiepflanzen (Abbildung 11) weisen eine Spannweite von 2,5 mg/kg TS (Szarvasi) bis 9,9 mg/kg TS (Sonnenblumen) auf. Sie liegen damit ungefähr eine Größenordnung (Faktor 10) niedriger als Mangan in den Pflanzen. Mais liegt von der Konzentration her wieder im unteren Bereich (3,2 mg/kg TS) genauso wie die Wintergetreidearten Roggen, Triticale und Gerste sowie die Gräser Welsches Weidelgras (2,8 mg/kg TS) und Szarvasi (2,6 mg/kg TS). Leguminosen wie die Ackerbohne, Zottelwicke, Klee, Winter-Erbse und Luzerne weisen überdurchschnittliche Kupferkonzentrationen auf. Kupferzugabe in Spurenelementadditiven für Biogasanlagen wird zum Beipiel bei Oechnser et al. (2011) ebenfalls für eine gute Methanausbeute und einen stabilen Biogasbildungsprozess empfohlen. Sonnenblume MW Rüben Blatt MW Wi-Ackerbohne Hiverna So-Ackerbohne Espresso Zottelwicke MW Klee MW Wi-Erbse E.F.B. 33 Luzerne Quinoa MW Öllein Stremanthe Phacelia Amerigo Amarant Bärnkrafft Katzenminze MW Rüben MW "Wick-Gras"-Mischung Malve MW Weißer Senf Maxi Switchgras MW Buchweizen MW "We-Ro-GPS Plus" Wi-Weizen MW Sorghum MW Rumex Schavnat Wi-Gerste MW Wi-Triticale MW So-Hafer MW Mais MW Wi-Rübsen MW Wi-Roggen MW Wel. Weidelgras MW Szarvasi 3,2 Kupfer (mg/kg TS) Abb. 11: Kupfergehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 21

22 Aus dem Diagramm (Abbildung 12) lässt sich entnehmen, dass sich ein erhöhter Zink-Input in den Fermenter vor allem durch Zugabe von Sommer-Ackerbohne, Zottelwicke, Öllein oder Weißen Senf erreichen lässt. Auch die Winter-Ackerbohne und die Rübenköpfe mit Blättern bringen einen hohen Zinkgehalt mit sich. Mais weist durchschnittlich 18 mg/kg TS Zink auf und liegt damit im unteren Bereich, wie auch die Getreidearten Weizen, Triticale, Hafer, Roggen und Gerste. Insgesamt bewegen sich die Zinkgehalte in den untersuchten Kulturpflanzen im Bereich von 14 bis 68 mg/kg TS. Die Gehalte liegen also in der gleichen Größenordnung wie bei Mangan und Eisen. Zink ist ein bedeutendes Nährelement für Pflanzen und in vielen Enzymen eingebaut (Kabata-Pendias 2011). So-Ackerbohne Espresso Zottelwicke MW Öllein Stremanthe Weißer Senf Maxi Rüben Blatt MW Wi-Ackerbohne Hiverna Quinoa MW Sonnenblume MW Wi-Erbse E.F.B. 33 Klee MW Sorghum MW Katzenminze MW Buchweizen MW Amarant Bärnkrafft "Wick-Gras"-Mischung Malve MW Rüben MW Switchgras MW Phacelia Amerigo "We-Ro-GPS Plus" Wi-Weizen MW Wi-Triticale MW Luzerne Wel. Weidelgras MW So-Hafer MW Mais MW Wi-Roggen MW Wi-Rübsen MW Wi-Gerste MW Rumex Schavnat Szarvasi 18 Zink (mg/kg TS) Abb. 12: Zinkgehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. MW = Mittelwert, farbig = physiologische, grau hinterlegt = unbereinigte Gehalte. 22

23 1.4. Abschätzungen und Berechnungen auf Basis des Projektkonzeptes Bislang konnten viele Sommerkulturen mit erhöhten Spurenelementgehalten identifiziert werden, z.b. Phacelia, Zottelwicke, Luzerne, Sonnenblumen, Amarant, Weißer Senf, Öllein, Buchweizen und Ackerbohnen. Diese stehen aber in Konkurrenz zum ertragsstarken Mais. Bei den Winterkulturen sind nach bisherigen Versuchsergebnissen die Getreidearten Weizen, Triticale, Roggen und Gerste ähnlich spurenelementarm wie Mais. Hier bietet sich die Möglichkeit an, durch Leguminosen-Getreide-Gemenge und Winter-Ackerbohnen vermehrt Spurenelemente bereitzustellen. Von den Dauerkulturen würden vor allem Durchwachsene Silphie (siehe Punkt 2.2, S. 29), Welsches Weidelgras, Luzerne und Klee als Biogassubstrat die Spurenelementkonzentrationen im Fermenter anheben. Blüh- und Wildpflanzenmischungen stellen in der Perspektive eine ideale Möglichkeit dar, Spurenelemente zur Verfügung zu stellen: Malve, Phacelia, Zottelwicke, Sonnenblume, Amarant, Buchweizen, Quinoa, Öllein, Luzerne, Klee und Katzenminze zeigen alle gegenüber Mais stark erhöhte Spurenelementkonzentrationen. Die Sonnenblume weist stark erhöhte Nickelgehalte auf, aber nur leicht erhöhte Cobaltgehalte. Daher ist die Sonnenblume allein keine Lösung für eine optimale Spurenelementversorgung von Biogasanlagen Berechnung des Stoffstroms Über die Elementkonzentrationen in der Trockenmasse in den untersuchten Pflanzen, gekoppelt mit üblichen Trockensubstanzgehalten, lässt sich berechnen, welche Mengen an Spurenelementen in einer Tonne feuchtem Inputsubstrat enthalten sind. Ebenso können Mischungen aus den bekannten Pflanzen berechnet und somit Erwartungswerte für die Spurenelementkonzentrationen im Fermenter abgeschätzt werden. Hierbei ist allerdings noch zu beachten, dass während der Biogasbildung die Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff ins Biogas übergehen und abgeführt werden. Die im Gärsubstrat verbleibenden Elemente steigen durch diesen Vorgang der Massenreduktion in ihrer Konzentration an. Sauer (2010) konnte diesen Zusammenhang während der Begleitforschung zum Bioenergiedorf Jühnde über zwei Jahre lang beobachten und mit zahlreichen Proben belegen. Vom Ausgangssubstrat bis zum Gärrest ergibt sich etwa ein Anreicherungsfaktor von 3, vom Ausgangssubstrat zum Fermentermaterial ein Anreicherungsfaktor von 2,5. Dies steht in engem logischen Zusammenhang mit dem bekannten Massenabbau bei der Biogasbildung. Im KTBL-Heft 88 (KTBL 2010) ist dieser z.b. mittels Fugatfaktoren beschrieben. Der Boden des Freilandversuchsfeldes in Verliehausen weist im Vergleich zu anderen Böden unterdurchschnittlich niedrige Spurenelementgehalte auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass wenn die folgenden Berechnungen für Verliehausen erfolgversprechend sind, diese an sehr vielen anderen Standorten sogar mit einem geringeren Anteil alternativer Energiepflanzen darstellbar wären. In Tabelle 3 sind die berechneten Erwartungswerte für verschiedene Spurenelemente bei unterschiedlichen Substratmischungen aufgeführt. In der ersten Zeile befinden sich die minimal zu erreichenden Schwellenwertkonzentrationen. Für Cobalt, Nickel und Molybdän gibt es nach aktuellem Stand des Wissens relativ gesicherte Schwellenwerte, hier wurde auf die Werte von Sauer (2010) zurückgegriffen. Für 23

24 Kupfer, Eisen, Mangan und Zink existieren zurzeit nur sehr grobe Konzentrationsschätzungen. Daher wurden interne Arbeitswerte der Projektgruppe Bioenergie der Universität Göttingen verwendet. Auch im FNR-Leitfaden Biogas (FNR 2013b) werden Bereiche mit Richtwerten zu Spurenelementen angegeben. Diese stammen von Bischoff (2009), Seyfried & Weiland (1990), Preißler (2009) und Oechsner et al. (2011). Dabei ist erstaunlich, dass die empfohlenen Konzentrationsangaben zum Teil vier Größenordnungen (Faktor ) umfassen, z.b. für Mangan (0,005 bis 50 mg/l). Tab. 3: Zu erreichende minimale Schwellenwertkonzentration an Spurenelementen im Biogas-Fermenter für eine optimale Biogasproduktivität. Berechnete Erwartungswerte der Spurenelementkonzentration im Fermenter bei einer Zumischung von Gülle oder alternativen Energiepflanzen zum Mais. Schwellenwerte nach Sauer (2010); Schwellenwerte in Klammern sind unsicher und könnten auch wesentlich niedriger liegen (interne Arbeitswerte der Bioenergieforschergruppe der Universität Göttingen). g/t feucht Feuchtmasse-Input Cobalt Kupfer Eisen Mangan Molybdän Nickel Zink zu erreichende minimale 0,07 (1,5) (100) (12) 0,18 0,33 (6) Schwellenwertkonzentration 80% Mais, 10% Rindergülle, 0,07 6, ,61 0, % Weidelgras 85% Mais, 15% Rindergülle 0,09 7, ,57 0, % Mais, 30% Ackerbohne 0,07 3, ,48 0, % Mais, je 10% Ackerbohne, 0,07 3, ,65 0,53 21 Amarant, Buchweizen, Weidelgras, Inkarnatklee Anhand der Erwartungswerte wird deutlich, dass der Ansatz, industrielle Spurenelementadditive durch Mischung unterschiedlicher Energiepflanzen zum Mais zu ersetzen, auf Grundlage der erarbeiteten Daten als durchaus machbar einzustufen ist. Sobald wenige Prozent Gülle mit in die Biogasanlage gefüttert werden, ist es sogar relativ einfach, fehlende Spurenelemente durch geeignete Pflanzen zu ersetzen, z.b. durch Phacelia, Welsches Weidelgras, Leguminosen (z.b. Ackerbohne, Erbse, Klee, Zottelwicke), Amarant oder Buchweizen. Soll ausschließlich mit Pflanzen gefüttert werden, so wären nach dieser Berechnung zu 70 % Mais-Input noch z.b. 30 % Ackerbohnen-Input auf dem spurenelementarmen Boden von Verliehausen nötig. Auf Standorten mit durchschnittlich hohen Spurenelementgehalten im Ackerboden würde nach Berechnungen über Transferfaktoren Boden-Pflanze bereits eine Mischung mit 90 % Mais plus 10 % Ackerbohnen eine ausreichende Spurenelementversorgung gewährleisten Zusätzlicher Flächenbedarf Für diese Berechnung wird angenommen, dass 10 % Maissilage durch andere Energiepflanzen ersetzt werden sollen und diese anderen Energiepflanzen (Leguminosen, Amarant, Welsches Weidelgras, etc.) im Durchschnitt etwa nur 60 % vom Trockenmasse-Ernteertrag pro Hektar gegenüber Mais erreichen. Für eine fiktive Biogasanlage mit einer Leistung von 500 kw elektrisch wird etwa eine Maisanbaufläche von 250 ha pro Jahr benötigt. Bei einem Ernteertrag von 18 Tonnen Trockenmasse pro Hektar für Maissilage ergeben sich Tonnen Inputsubstrat pro Jahr. Es sollen demnach 450 Tonnen Trockenmasse anderer Energiepflanzen ersetzt werden. Bei einem Ernteertrag von 10,8 t TM pro ha ergeben 24

25 sich ca. 42 ha. Folglich würde nun von 225 ha Maissilage und von 42 ha andere Energiepflanzensilage benötigt. Der jährliche Flächenbedarf erhöht sich nun von 250 ha um etwa 7 % auf 267 ha. Würden als Winterkulturen auch noch spurenelementreiche Pflanzen wie Wickroggen oder Winter- Ackerbohnen angebaut werden, so könnte der zusätzliche Flächenbedarf auf 4 % (10 ha) reduziert werden und es stände somit über das gesamte Jahr spurenelementreiche Silage zur Verfügung. Diese Berechnungen stellen allerdings lediglich eine grobe Abschätzung dar. Bislang gibt es nur zu wenigen Spurenelementen wissenschaftlich belegte Minimalkonzentrationen für Biogasanlagen. Je nach beteiligten Mikroorganismen könnten diese zusätzlich variieren. Ebenso üben der Spurenelementgehalt vom Boden sowie der pflanzenverfügbarer Anteil einen großen Einfluss auf den Transfer in die Pflanzen aus. Der benötigte zusätzliche Flächenbedarf für eine ausreichende Spurenelementversorgung durch Energiepflanzen liegt nach Abschätzung der Unwägbarkeiten bei vielen additivfütternden Biogasanlagen zwischen 4 und 20 % Ökonomie Im zuvor genannten Beispiel einer Biogasanlage mit einer Leistung von 500 kw elektrisch mit 250 ha Anbaufläche pro Jahr wären 10 bis 20 ha zusätzliche Fläche nötig. Von ursprünglich t TM Maissilage pro Jahr würde auf t Maissilage plus 450 t TM anderer Energiepflanzen umgestellt werden. Angenommen der Biogasanlagenbetreiber kauft eine Tonne TM Maissilage für 90 e ein, so muss er e für t Maissilage bezahlen. Will er spurenelementreiche Pflanzen zu den t Maissilage erwerben, so kauft er nur noch für e Maisilage ein. Kann er z.b. dazu 450 Tonnen Grassilage erwerben, könnte er mit seinen Silage-Beschaffungskosten sogar etwas günstiger liegen, da der Preis für eine Tonne Grassilage üblicherweise niedriger ist als der von Maissilage. Allerdings sind bei der Vergärung von Grassilage etwas geringere Methanerträge pro kg Feuchtmasse gegenüber Maissilage zu erwarten. Haben die Landwirte die neuen Kulturen wie Durchwachsene Silphie, Blüh- oder Wildpflanzenmischungen auf Standorten angebaut, die für den Maisanbau ungeeignet sind, so ist es sehr wahrscheinlich, dass sie mit einem Preis im Bereich zwischen Gras- und Maissilage zufrieden sind. Somit würden in diesem Fall auch keine zusätzlich erhöhten Kosten anfallen. Der Biogasanlagenbetreiber könnte beim Gelingen dieses Ansatzes die Kosten für die Spurenelementadditive einsparen. Diese liegen je nach Produkt und Dosierung oft zwischen e und e pro Jahr. Werden zusätzlich etwa 30 Arbeitsstunden pro Jahr angesetzt, die der Biogasanlagenbetreiber mit dem Additiv beschäftigt ist, so könnten bei 40 e/h zusätzlich e eingespart werden. Sehr viele der spurenelementreichen Energiepflanzen werden im EEG (2012) in der Einsatzstoffvergütungsklasse II geführt und können somit eine höhere Stromvergütung für die Energie, die aus ihnen entstanden ist, erlangen. Im oben genannten Beispiel mit den 450 t TM würde sich ein zusätzlicher Gewinn über den Stromverkauf von etwa 8.640e gegenüber der Maissilage ergeben (bei 450 t TM = t FM, 80 m 3 Methan pro t FM, 1 m 3 Methan = 4 kw elektrisch, 0,02e Bonus pro kw elektrisch ). Der Biogasanlagenbetreiber hätte demnach jährlich einen finanziellen Spielraum zwischen e 25

26 und e, den er mit dem hier angedachten Konzept einsparen könnte. Sehr wahrscheinlich wird der Anlagenbetreiber in der Praxis einen Teil dieser Summe als Bonus für die Landwirte, die spurenelementreiche Pflanzen anbauen, sowie für einige Tonnen zusätzliche Silage einsetzen, um die anzunehmenden Biogas-Mindererträge gegenüber Maissilage auszugleichen. In manchen Forschungsprojekten wurde allerdings belegt, dass Pflanzenmischungen einen deutlich höheren Biogasertrag erbringen, als es über die Summe der Monovergärungen zu erwarten gewesen wäre (z.b. Heidecker 2008). Es besteht also die Chance, dass die Biogasanlage durch die größere Variation im Futtermix sogar stabiler und produktiver arbeitet als in einer Maissilage-Monovergärung mit Spurenelementadditiven. Außerdem sind positive Umweltaspekte (Bodengesundheit, Humusbilanz, Vorfruchtdüngewirkung, weniger überdosierte unnötige Spurenelemente) durch alternative Energiepflanzen zum Mais zu veranschlagen. Diese können hier allerdings nicht angemessen in Wert gesetzt werden. 26

27 2. Nebenergebnisse 2.1. Seltene Erdelemente Zu den Metallen der Seltenen Erden (Rare Earth Elements, REE) gehören die Elemente des Periodensystems mit den Ordnungszahlen 57 bis 71, also die Lanthanoiden. Die REE besitzen untereinander sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Sie kommen in der Natur fast nur als dreiwertige Kationen vor. Eine Ausnahme bilden lediglich Cer und Europium, die auch vier- bzw. zweiwertig auftreten können. Außerdem gehören die REE zu den refraktären Elementen. Die Gruppe der REE werden in Leichte (Lanthan bis Neodym), Mittlere (Samarium bis Dysprosium) und Schwere REE (Holmium bis Lutetium) unterteilt. In diesem Projekt wurden bei der Multielementanalyse am Massenspektrometer (ICP-MS) ebenfalls die Seltenen Erdelemente mit gemessen. Da sie keine essenziellen Nährelemente darstellen werden die REE nur minimal von den Pflanzen aufgenommen. Gleichzeitig werden die gemessenen Elementkonzentrationen durch anhaftendes Bodenmaterial beeinflusst. Daher ist eine Korrektur unerlässlich und wurde, wie in Punkt 1.2 auf S. 15 beschrieben, durchgeführt. Nach der Korrektur auf anhaftendes Material sind nur wenige Seltene Erdelemente bei gewissen Pflanzen nachweisbar, und zwar ausnahmslos Leichte REE (Lanthan, Cer, Neodym). Lanthan ist in Buchweizen, Luzerne, Sonnenblumen, Ackerbohne, Zottelwicke und in den Winter- Rübsen in Konzentrationen von 0,04 bis 0,56 mg/kg TS enthalten (Abbildung 13). Die höchsten Konzentrationen werden von den beiden Buchweizensorten Lileja (0,56 mg/kg TS) und Kora (0,47 mg/kg TS) erreicht. Die Sonnenblumen liegen im Mittel bei 0,17 mg/kg TS. Vom Niveau her gesehen liegen also die Lanthankonzentrationen in den Pflanzen sogar etwas höher als Cobalt (Abbildung 6) aber niedriger als alle anderen betrachteten Spurenelemente in Kapitel 1.3. Neodym ist im Amarant Bärnkrafft, Buchweizen, Welsches Weidelgras, Luzerne und in den Sonnenblumen nachweisbar (Abbildung 14). Die höchsten Konzentrationen weisen die Buchweizensorten Lileja (0,22 mg/kg TS) und Kora (0,18 mg/kg TS) auf. Cer wird nur von Amarant Bärnkrafft, Buchweizen und Luzerne aufgenommen (Abbildung 15). Bei Betrachtung der Abbildungen könnte eine sortenabhängige Aufnahme von REE bei Buchweizen unterstellt werden. Phytomining bezeichnet die Idee, mit hyperakkumulierenden Pflanzen Metalle aus dem Boden zu gewinnen. Sheoran et al. (2013) kommen zu dem Schluss, dass das vielversprechendste Element hierbei Gold wäre. Allerdings sind bislang keine Gold-hyperakkumulierenden Pflanzen (> 1mg/kg Gold TS in der Pflanze) bekannt. Da es weltweit nur sehr wenige REE-Lagerstätten gibt, sind die REE theoretisch wünschenswerte Elemente für Phytomining. Die bekannteste liegt in China (Bayan-Obo-Mine) und besitzt REE-Summengesamtgehalte von bis zu mg/kg in den Erzen. Die in unserem Screening höchstakkumulierende Buchweizensorte Lileja besitzt REE-Summengesamtgehalte von etwa 2 mg/kg. Ob REE-Phytomining mittel- bis langfristig Sinn macht kann an dieser Stelle nicht weiter erörtert werden. 27

28 0,6 0,5 0,4 Lanthan (mg/kg TS) 0,3 0,2 0,1 0,0 Abb. 13: Physiologische Lanthangehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. 0,25 0,20 Neodym (mg/kg TS) 0,15 0,10 0,05 0,00 Abb. 14: Physiologische Neodymgehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Cer (mg/kg TS) Abb. 15: Physiologische Cergehalte (mg/kg TS) der Energiepflanzen vom Freilandversuchsfeld Verliehausen. 28

29 2.2. Weitere Untersuchungen und Aktivitäten Weiterhin wurden Quinoa- und Buchweizensorten aus der Nähe von Straubing in Niederbayern in Zusammenarbeit mit dem ebenfalls von der FNR geförderten Projekt Eignung von Buchweizen und Quinoa als späte Zweitfrüchte für die Biogasnutzung (FKZ: ) beprobt und analysiert (Abbildung 16a und 16b). Diese vom IZNE ermittelten und ausgewerteten Analysedaten gehen in den entsprechenden Endbericht ein und werden voraussichtlich im Sommer 2014 als Download auf der FNR-Webseite verfügbar sein. Anschließend wird eine Veröffentlichung in der Schriftenreihe des Technologie- und Förderzentrums Straubing (TFZ) folgen. Es wurden ebenfalls Proben von Durchwachsene Silphie in Hedeper (Landkreis Wolfenbüttel) und in Höxter genommen. Zusätzlich liegen Daten aus dem Topf- und Freilandversuch des Projektes Bioenergetische Nutzungskonzepte für kontaminierte Standorte vor. Die Silphie zeigt Cobaltkonzentrationen im vergleichsweise hohen Bereich bis 0,3 mg/kg TS. Da die Silphie gegenüber Verliehausen jedoch auf einem anderen Boden gewachsen ist, können die Ergebnisse nur unzureichend mit den Energiepflanzen aus Verliehausen verglichen werden. Am wurde gemeinsam mit Projektmitarbeitern und -interessierten der Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen - Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) - Fakultät Ressourcenmanagment des ebenfalls von der FNR geförderten Projektes Verbundvorhaben: Entwicklung und praxisorientierte Bewertung einer Methode zur Untersuchung der Bioverfügbarkeit von Spurenelementen für die Biogasbildung mit Hilfe der sequentiellen Extraktion (FKZ: ) ein Workshop durchgeführt. Hier wurden gegenseitig der Forschungsstand sowie Ideen und Anregungen ausgetauscht. Wichtigste Erkenntnisse waren auch hier, dass Nickel und Cobalt die entscheidenden Spurenelemente darstellen, die in Biogasanlagen oft im Mangel vorliegen. Außerdem wurde von den anwesenden Fachleuten (z.b. Andreas Krieg, Krieg und Fischer Ingenieure GmbH, Planung und Konstruktion von Biogasanlagen; Dr. Thomas Fritz, ISF Schaumann Forschung) geschätzt, dass zurzeit in über Biogasanlagen in Deutschland Spurenelementadditive zugefüttert werden. Die Relevanz unseres Forschungsansatzes ist also entsprechend hoch. Am wurde in Verliehausen an der Biogasanlage eine Veranstaltung mit den substratliefernden Landwirten, dem Betreiber der Biogasanlage und den Wissenschaftlern dieses Projektes durchgeführt. Inhalt der Veranstaltung war die Projektvorstellung, erste Forschungsergebnisse sowie die Diskussion eines möglichen Anbaus anderer zusätzlicher Energiepflanzen mit höheren Spurenelementgehalten neben Mais. Als ergänzende Anbaukonzepte wurden mit den Landwirten diskutiert: Wickroggen bzw. Erbsen-Roggen-Gemenge als Winterung Amarant, Quinoa oder Buchweizen als späte Zweitfrucht im Sommer Sonnenblumen Durchwachsene Silphie Winter-Ackerbohne Blühstreifen/-felder mit Malve (Abbildung 17), Phacelia, Sonnenblumen, Buchweizen, Luzerne und Klee. 29

30 (a) Quinoa (b) Buchweizen Abb. 16: Pseudocerealien auf dem Versuchsfeld des TFZ in Straubing, September

31 Die Landwirte zeigten sich prinzipiell diskussionsbereit und sehen in den kommenden Jahren und Jahrzehnten mit zunehmendem Klimawandel eine Umstrukturierung des Energiepflanzenbaus (und auch des Nahrungs- und Futtermittelanbaus) als notwendig an. Hauptmotivationstreiber für die Landwirte ist und bleibt aber der Gewinn, den sie erwirtschaften können. Abb. 17: Blühende Malve in der Kleinparzelle im Sommer 2012 bei Verliehausen. Der Biogasanlagenbetreiber zahlt für die Spurenelementadditive im Jahr etwa e (bei 530 kw elektrische Leistung) und liegt damit im Vergleich recht günstig. Ein Großteil dieser Summe könnte theoretisch bei erfolgreichem Anbau von spurenelementreichen Energiepflanzen für die Landwirte als Ausgleich zum fehlenden Trockenmasseertrag pro Hektar gegenüber Mais verrechnet werden. Weitere Anreize könnten eine positivere Humusbilanz und Vorfruchtwirkung oder auch die positiv belebenden Blühstreifen/-felder in der Landschaft, verbunden mit höherer Wertschätzung des Energiepflanzenanbaus in der Bevölkerung sein. Da die Anlagenbetreiber aber die Prozessstabilität nicht gefährden wollen, werden wahrscheinlich oft wesentlich mehr Spurenelemente zugesetzt als es notwendig wäre. So stellte sich durch die Untersuchungen von Fermentermaterial in Verliehausen heraus, dass die Cobaltkonzentration durch die Additive bereits von 0,05 auf 0,24 mg/kg Feuchtmasse (FM) angehoben wurde. Vermutlich würden 0,07 mg/kg FM Cobalt ausreichen. Auf Rückfrage des Kunden (durch uns angeraten) halbierte die Herstellerfirma spontan ihre Dosierempfehlung für ihr Spurenelementadditiv bei dieser Anlage. Hätte der Anlagenbetreiber nicht nachgefragt, so hätte er weiterhin die doppelte Menge bei doppelten Kosten eingekauft, mit doppelter Spurenelementfracht im Gärrest. 31

32 3. Verwertung und Ausblick Nach der Reform der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) der EU müssen ab 2015 landwirtschaftliche Betriebe mit mehr als 15 Hektar Ackerfläche auf 5 % ihrer Ackerfläche ökologische Vorrangflächen ausweisen. Im aktuellen Positionspapier des Bundesamtes für Naturschutz, des Umweltbundesamtes und der Kommission Landwirtschaft am Umweltbundesamt (KLU 2014) werden konkrete Vorschläge zur nationalen Umsetzung von Ökologischen Vorrangflächen gemacht. Demnach sollen z.b. Blühstreifen voll und Flächen mit Leguminosen mit einem Gewichtungsfaktor 0,3 angerechnet werden. Dies erhöht durch Nutzung von Synergieeffekten die Erfolgsaussichten unseres Konzeptansatzes. Im EEG (2012) wird der Input von Mais auf maximal 60 % (Masse) pro Jahr begrenzt. Somit werden einige Biogasanlagenbetreiber gezwungen sein, alternative Energiepflanzen zum Mais auszuwählen. Mit Hilfe der Spurenelementdaten unterschiedlicher Energiepflanzen in Kombination mit Ertragsabschätzungen könnte somit eine Entscheidungsunterstützung bei der Auswahl alternativer Energiepflanzen erfolgen. Theoretisch könnte sogar relativ einfach mit einem leicht diversifizierten spurenelementreichen Energiepflanzenanbau ganz auf zugekaufte Spurenelementadditive verzichtet werden. Bei erfolgreicher Etablierung des in diesem Vorhaben voruntersuchten Konzeptes würden Biogasanlagenbetreiber und Landwirte davon profitieren. Auch die Bevölkerung vor Ort würde von einem erweiterten Energiepflanzenspektrum profitieren. Ein positiver Imagegewinn für die Biogasbranche würde sich bei geschickter Vermarktung des Konzeptes einstellen. Hierfür war dieses kleine Projekt allerdings nur ein erster erfolgreicher Schritt. Eine Vorhabenskizze für ein mögliches Anschlussprojekt (FKZ: ), welches die Konzeptidee weiter validieren und gleichzeitig in die Praxis einführen soll, liegt der FNR vor. Dieses wird im folgenden Punkt 3.1 skizziert Wissenschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende, notwendige nächste Phase Das hier beschriebene Projekt war als Vorprojekt konzipiert, um exemplarisch aufzuzeigen, ob oder ob nicht der dargestellte Konzeptansatz erfolgreich sein kann. Als Schwachpunkt der oben genannten Ergebnisse ist anzuführen, dass sämtliche Daten von nur einem Freilandversuchsfeld mit Kleinparzellen stammen. Aufgrund der kurzen Projektlaufzeit (16 Monate) und der knappen Mittel für Untersuchungen konnten weder Feldwiederholungen noch Wiederholungen im Folgejahr realisiert werden. Nach Abschluss und Auswertung des Vorprojektes ist dennoch offensichtlich, dass der Konzeptansatz nach weiteren eingehenderen Untersuchungen als erfolgversprechend einzustufen ist. Eine deutliche Eingrenzung und Vorauswahl von spurenelementreichen Kulturen konnte durch diese Untersuchungen vorgenommen werden. Für ein mögliches Folgeprojekt liegt der FNR bereits eine Skizze mit dem Titel Spurenelemente durch Energiepflanzen - Stoffströme und Handlungsempfehlungen für eine optimierte Prozessbiologie in Biogasanlagen (FKZ: ) vor. In dieses mögliche Folgeprojekt können die Ergebnisse des 32